RAID技术的实现课件

RAID是RedundantArrayIndependentDisks的缩写，直译是“独立冗余磁盘阵列”，简称“磁盘阵列”,即多块独立的硬盘（物理硬盘）按不同方式组合起来形成一个硬盘组（逻辑硬盘），从而提供比单个硬盘更高的储存性能和提供更安全的数据冗余的技术。RAID是RedundantArrayIndepende1.写入数据：RAID控制器把主机要写入的数据分解为多个数据块，然后并行写入磁盘阵列；2.读取数据时，RAID控制器并行读取分散在磁盘阵列中各个硬盘上的数据，把它们重新组合后提供给主机；3.采用并行读写操作，从而提高了存储系统的存取速度；4.RAID磁盘阵列还可以采用镜像、奇偶校验等措施，来提高系统的容错能力，保证数据的可靠性。易操作，功耗小，传输速率高工作原理优点可以提供容错功能容量更大，成本更低1.写入数据：RAID控制器把主机要写入的数据分解为多个数据RAIDlevelRAID0RAID1RAID5RAID10别名条带镜像分布奇偶位条带镜像阵列条带容错性没有有有有冗余类型没有复制奇偶校验复制读性能高一般高高随机写性能高一般低高连续写性能高一般低中间硬盘需求数量最少2颗2颗3个以上的硬盘4+2*N个磁盘驱动器（N>=0)可有容量磁盘容量总和磁盘容量总和的50%（N-1)X单颗磁盘容量(N为磁盘数）磁盘容量总和的50%工作原理

适用范围无故障的迅速读写，要求安全性不高，如视频点播、图像编辑等工作站随机数据写入，要求安全性高，如服务器、数据存储领域随机数据传输，要求安全性高，如文件和应用服务器、数据库服务器、WEB、Email服务器、局域网服务器要求数据量大，安全性高，如银行业、证券业、大型超市、物流仓储、档案管理等。RAIDlevelRAID0RAID1RAID5RARAID实现方式RAID实现方式软RAID与硬RAID

RAID也有软件与硬件之分。全软RAID就是指RAID的所有功能都是操作系统(OS)与CPU来完成，没有第三方的控制/处理(业界称其为RAID协处理器)与I/O芯片。这样，有关RAID的所有任务的处理都由CPU来完成，可想而知这是效率最低的一种RAID。由于全软RAID是在操作系统下实现RAID，不能保护系统盘，亦即系统分区不能参与实现RAID。有些操作系统，RAID的配置信息存在系统信息中，而不是存在磁盘上，当系统崩溃，需重新安装时，RAID的信息也会丢失。尤其是全软RAID5是CPU的增强方式，会导致30%-40%的I/O功能降低，所以在服务器中不建议使用全软RAID。软RAID与硬RAIDRAID也有软件与硬件之分。全软5功能硬RAID方式软RAID方式RAID等级与系统无关，硬件功能支持决定较低级别0，1性能CPU占用率低，性能较高于软RAID读写性能差异不大，I/O处理会占用CPU热备用及自动恢复可以，专门的全程备用设计不可以重建优先级低/中/高不可以可启动阵列可以不可以错误报告SNMP用通用的系统标志报告，同时采用彩色代码发出警告及E-mail通告。SNMP过滤硬盘事件，用能用的系统标志报告预防性维护对服务器、网络、无RAID存储空间进行轮流检测，安排阵列校验，对备用硬盘测试，磁盘重建。几乎没有成本初期成本高，后期维护成本低初期成本低，但隐藏的管理费用及安全费用高产品IBM,Compaq,storagetek的外置磁盘阵列；adaptec,promise,highpoint的RAID卡片Novell公司的Netware;microsoft的WinNT;unix的dataware功能硬RAID方式软RAID方式RAID等级与系统无关，硬软RAID演示硬RAID演示软RAID演示7磁盘在存储数据之前，必须被分成一个或多个区域，这就叫磁盘分区分区是由各操作系统的分区程序完成的

磁盘在存储数据之前，必须被分成一个或多个区域，这就叫磁盘分区81.基本磁盘WindowsServer2003基本磁盘分区又分为：主分区和扩展分区。主分区用来存放操作系统的引导记录（在该主分区的第一扇区）和操作系统文件。每个基本磁盘最多可以分成4个主分区。扩展分区一般用来存放数据和应用程序，无法用来启动操作系统，也无法直接存储数据，必须先在扩展分区中建立“逻辑磁盘”才能将文件保存在逻辑磁盘。每个磁盘只能有一个扩展分区，其中包含多个逻辑驱动器。扩展分区是一个容器，不能用一个具体的驱动器盘符表示，必须要在其中划分逻辑驱动器之后才可以使用。

1.基本磁盘92.动态磁盘“动态磁盘”的最大优点是可以将磁盘容量扩展到非邻近的磁盘空间

动态磁盘是用“卷”来命名的，不受卷数目的限制。2.动态磁盘10磁盘类型（1）简单卷（2)跨区卷

(3)带区卷

(4)镜像卷

(5)RAID5卷磁盘类型（1）简单卷11RAID是英文RedundantArrayofInexpensiveDisks的缩写，中文简称为廉价磁盘冗余阵列。RAID就是一种由多块硬盘构成的冗余阵列。虽然RAID包含多块硬盘，但是在操作系统下是作为一个独立的大型存储设备出现。利用RAID技术于存储系统的好处主要有以下三种：

(1)通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能

(2)通过把数据分成多个数据块（Block）并行写入/读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度

(3)通过镜像或校验操作提供容错能力动态磁盘RAID是英文RedundantArrayofInex12---创建分区和卷---创建分区和卷13创建磁盘主分区并格式化创建磁盘主分区并格式化14创建磁盘主分区并格式化创建磁盘主分区并格式化15创建磁盘主分区并格式化创建磁盘主分区并格式化16创建磁盘扩展分区创建磁盘扩展分区17创建磁盘扩展分区创建磁盘扩展分区18创建磁盘逻辑驱动器并格式化创建磁盘逻辑驱动器并格式化19基本磁盘与动态磁盘3.“基本磁盘”与“动态磁盘”转换从“基本磁盘”升级到“动态磁盘”，磁盘数据是不会改变的。但是从“动态磁盘”返回到“基本磁盘”，必须对驱动器进行重新分区，这将导致磁盘中的数据会全部丢失。

基本磁盘与动态磁盘3.“基本磁盘”与“动态磁盘”转换20---基本磁盘升级为动态磁盘---基本磁盘升级为动态磁盘21---基本磁盘升级为动态磁盘---基本磁盘升级为动态磁盘22---创建和扩展简单卷动态磁盘的管理是基于卷的管理。卷是由一个或多个磁盘上的可用空间组成的存储单元。可以将它格式化为一种文件系统并分配驱动器号。动态磁盘上的卷可以是下列：简单卷、跨区卷、带区卷、镜像卷或RAID-5。---创建和扩展简单卷动态磁盘的管理是基于卷的管理。卷是由23简单卷可以在同一物理磁盘内扩展。

---创建和扩展简单卷简单卷可以在同一物理磁盘内扩展。---创建和扩展简单卷24---创建和扩展简单卷---创建和扩展简单卷25---创建和扩展简单卷---创建和扩展简单卷26如果建立的简单卷的空间不能满足我们的需要，可以将邻近的未指派空间加入到该简单卷中，也就是扩大简单卷的磁盘容量

---创建和扩展简单卷如果建立的简单卷的空间不能满足我们的需要，可以将邻近的未指派27---创建和扩展简单卷---创建和扩展简单卷28跨区卷由多个物理磁盘上的可用空间组成，也就是将多个物理磁盘的未指派空间合并为一个逻辑盘，用一个逻辑驱动器表示。跨区卷还可以扩展到其他磁盘。不能对跨区卷进行镜像。当数据被存到跨区卷时，先存到跨区卷成员中的第1个磁盘内，待空间用尽后，才将数据存到第2块磁盘，以此类推。跨区卷没有容错功能。当成员磁盘中任何一个发生故障，整个跨区卷的数据都将丢失。---创建跨区卷和带区卷跨区卷由多个物理磁盘上的可用空间组成，也就是将多个物理磁盘的29---创建跨区卷和带区卷---创建跨区卷和带区卷30---创建跨区卷和带区卷---创建跨区卷和带区卷31---创建跨区卷和带区卷带区卷是指数据交错分布于两个或更多物理磁盘的卷。此类型卷上的数据交替且平均地分配到各个物理磁盘中。带区卷不能镜像或扩展。带区又称为RAID-0。带区卷的每个成员其容量大小相同，并且数据写入时是以64KB为单位，平均地写到每个磁盘内---创建跨区卷和带区卷带区卷是指数据交错分布于两个或更多32---创建跨区卷和带区卷---创建跨区卷和带区卷33---创建跨区卷和带区卷---创建跨区卷和带区卷34---镜像卷和RAID5卷镜像卷是一种容错卷，可以由一个基本磁盘上的简单卷和另一个动态磁盘上的未指派空间组成一个镜像卷，还可以由两个动态磁盘的“未指派空间”组成一个镜像卷。系统将给这两块空间赋予一个驱动器号。存储在镜像卷的数据被复制到两个物理磁盘上，如果其中一个磁盘发生故障，则还可以从剩下的磁盘中访问数据。镜像又称为RAID-1。镜像卷一旦被建立，就无法再被扩展。镜像卷的磁盘空间利用率只有50％，磁盘空间利用率较低。---镜像卷和RAID5卷镜像卷是一种容错卷，可以由一个351．创建镜像卷---镜像卷和RAID5卷1．创建镜像卷---镜像卷和RAID5卷362．中断、删除镜像卷（1）中断镜像卷的具体步骤中断后，镜像卷的成员都会独立成简单卷，且其中的数据都被保留，但是驱动器号会有变化，其中一个沿用原来的驱动器号，另一个卷的驱动器号会被自动分配一个---镜像卷和RAID5卷2．中断、删除镜像卷中断后，镜像卷的成员都会独立成简单卷，且37（2）删除镜像的具体步骤右击磁盘1的G：卷→“删除镜像”。G：卷及其数据都被删除，并且将释放所占有的空间为未指派空间，另一成员的数据保存下来。

---镜像卷和RAID5卷（2）删除镜像的具体步骤---镜像卷和RAID5卷38（3）删除镜像卷的具体步骤右击镜像卷→“删除卷”。结果将删除两个成员的数据，且两个成员都被指定为未指派空间

数据都被删除，并且将释放所占有的空间为未指派空间

---镜像卷和RAID5卷（3）删除镜像卷的具体步骤右击镜像卷→“删除卷”。结果将删除39RAID-5卷是一种容错卷，其数据条带状分布于三个或更多磁盘组成的磁盘阵列中。奇偶效验（可用于在出现故障后重建数据的计算值）也是条带状分布于磁盘阵列中。如果一个物理磁盘发生故障，可以使用剩余数据和奇偶效验重建该故障磁盘上的RAID-5卷部分。RAID-5卷的磁盘空间利用率（n-1）/n，n为磁盘数。因为要用1/n个磁盘来存储奇偶校验数据。---镜像卷和RAID5卷RAID-5卷是一种容错卷，其数据条带状分布于三个或更多磁40硬件RAID技术内置阵列卡外置磁盘阵列内置阵列卡外置磁盘阵列硬RAID技术内置阵列卡RAID技术外置磁盘阵列RAID技术与主机1.内置阵列卡安装在主机上，受主机影响。2.安装需驱动软件,与主机类型、操作系统等有关。3.主机故障(如停电等)会直接影响到存储数据及RAID完整性。1.外置磁盘阵列与主机和操作系统完全独立（本身带硬件RAID控制器),是一个独立的存储子系统;2.与主机通过数据电缆连接，无需任何软件驱动或硬件支持;3.数据安全及RAID的完整性与主机等无关。系统当主机改变或操作系统改变时，阵列卡就可能要更换。当主机改变或操作系统改变时，磁盘阵列无需更换，可继续采用。维护RAID的设置通过DOS下改BIOS等实施，较难维护。通过多种方式实施，亦可直接在磁盘阵列的面板上通过菜单设置，非常直观容易，易操作，易维护。冗余、热插拔内置阵列卡的硬件的冗余程度及热拨插功能一般要低于外置磁盘阵列，因阵列卡安装在主机上，受主机故障（如电源）的影响；另电源、风扇等无法配置，只能依靠主机。外置磁盘阵列的硬件冗余程度及热拨插功能远高于内置阵列卡，从而提供更高的可靠性。因为与主机完全独立，主机故障时存储子系统无影响。另电源、风扇等均冗余且热拨插配置。预警内置阵列卡方式可提供硬盘故障报警显示，但如风扇、电源、温度等异常则无法提供，且警告方式比较单一。外置磁盘阵列方式提供硬盘、风扇、电源、控制器等异常情况监测警示，并以声音、光线，LCD面板显示等三重方式在故障部位同时显示。准确确定故障类型，位置，再加上冗余热拨插设计，确保整个存储子系统不中断运行并在工作状态下进行维护。扩容1.扩容能力不如外置磁盘阵列，一般阵列卡再多3个通道每个通道接7个硬盘计，仅为21个硬盘。2.可通过RAID管理界面完成可支持线扩容1.扩展能力高，通道数量最多可至8个，1个接主机，7个接硬盘，按每个通道接7个硬盘计，可接49个硬盘。再加上与主机完全独立，使得扩容（增加盘箱）更为灵活。2.支持在线扩容，自动重建。硬RAID技术内置阵列卡RAID技术外置磁盘阵列RAID技内置式raid系统已成为许多pcserver的标准配置或选件内置式raid系统已成为许多pcserver的标准配置或外置式系统多用于双机容错系统中，作为服务器的大容量高可靠外存外置式系统多用于双机容错系统中，作为服务器的大容量高可靠外存IDERAID基于IDE接口的RAID应用产品称为IDERAID与SCSIRAID相比有及具竞争力的性价比为中低端应用的服务器产品提供更强的数据处理和数据保护以及较高的性能价格比支持RAID0，1，0+1，5IDERAID基于IDE接口的RAID应用产品称为IDE45SCSIRAID基于SCSI接口的RAID应用产品称为SCSIRAID多个I/O并行操作，设备传输速度快；可扩展性好，最多可连接15个外部scsi设备；支持RAID级别多，RAID0、RAID1、RAID10、RAID3、RAID5、RAID30、RAID50、JBOD等；支持Hotspare,在线热插拔，性能更稳定、可靠性更好；SCSIRAID基于SCSI接口的RAID应用产品称为S46IDERAID卡将若干IDE硬盘做成一个或几个阵列盘，提高了系统中磁盘I/O的性能，并且使磁盘系统具有数据镜像的安全保护功能。具有可管理性，在操作系统支持下，管理软件可监控阵列的状态，添加和删除阵列，在线数据恢复等；最多支持4个硬盘，可实现RAID0、1、0+1QW1060、1600B应用了IDERAID卡，2100主板集成IDERAID控制器IDERAID卡将若干IDE硬盘做成一个或几个阵列盘，提47SCSIRAID卡将若干硬盘做成一个或几个阵列盘，提高了系统中磁盘I/O的性能，并且使磁盘系统具有容错的安全保护功能。通过磁盘Cache的运用，提高系统的存取速度，结合SAF-TE（SCSIAccessFaultTolerantEnclosure）对磁盘阵列中的磁盘进行监控管理，管理的人机接口有1）RAID卡本身的指示报警；2）具有SAF-TE功能的热插拔背板；3）操作系统上安装的监控软件。IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用SCSIRAID卡将若干硬盘做成一个或几个阵列盘，提高了系48SCSIRAID卡的结构SCSI控制器RAID处理器FirmwareCACHEMEMORY指示报警电池通道B通道APCI总线SCSI终结器IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用SCSIRAID卡的结构SCSIRAIDFirmwareC49IOP,I/OProcessor,专门用于I/O的处理器。市场上主要有Promise/AMI/Highpoint/intel等厂商设计和生产。I/OProcessor：T8ASICPDC82830BIOS,储存与RAID卡设置相关的程序CacheMemory，数据交换的缓冲区及奇偶校验位的保留区以加快校验速度8Channel,连接硬盘IOP,I/OProcessor,专门用于I/O的处理器。50工作原理初始化RAID卡寄存器读取NVRAM的RAID参数，与硬盘实际信息进行比较，显示结果提供配置菜单、将用户提供的RAID卡参数、RAID参数存入NVRAM发送配置提示、响应

HOST命令进入配置界面根据RAID参数，通过RAID控制器对硬盘进行初始化写操作完成配置等待Host发出读写操作命令工作原理初始化RAID卡寄存器读取NVRAM的RAID参数，51

SCSI接口的图片SCSI接口的图片52磁盘CACHERAID卡提高磁盘读写性能的另一手段是：磁盘CACHE。CPU系统CACHEMemoryMemory控制器RAIDCPU磁盘CACHESCSI控制器SCSI硬盘IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用磁盘CACHERAID卡提高磁盘读写性能的另一手段是：磁盘C53磁盘CACHE的两大工作：磁盘I/O从磁盘读写入磁盘首先从CACHE读首先往CACHE写无CACHE有CACHE预读回写IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用磁盘CACHE的两大工作：磁盘I/O从磁盘读写入磁盘首先从C54预读ReadAheadPre-Fetch预读的两种方式

CACHE预读提高了计算机系统中的硬盘读的功能，尤其是在读取含有大量文件碎片的文件时。 具有良好预读功能的RAID卡能在看起来很随机的读访问中，识别出读取磁盘的规律，通过这个规律提前将系统要读取的数据放在CACHE中。IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用预读ReadAheadPre-Fetch预读的两种方55Readahead

Pre-Fetch 当RAID卡发现系统要读的是先前已经读过的数据时，在这一次，便将这一个数据块的数据写到CACHE里。 由于硬盘数据经常是以一族连续的硬盘扇区组织起来的，所以有时侯如把系统所请求的扇区随后的一个扇区里的数据同时读进来是有价值的。IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用ReadaheadPre-Fetch 当RAID卡发现56回写 回写是通过暂时将数据存在CACHE里，从而推迟将数据写到慢设备（如硬盘、磁带机）的一种工作方式。数据将在随后的时间，硬盘闲置的时候写到硬盘中。写的时候也是统一将CACHE内的尚未写出的数据按照数据块的在硬盘中的BLOCK序号写入，这样可以提高写的效率。IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用回写 回写是通过暂时将数据存在CACHE里，从而推迟将数据写57系统block7block1block5block31

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block1block3block5block7注：回写需要加电池给CACHE供电，以免数据在写到硬盘之前系统断电导致硬盘数据丢失。

电梯式回写IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用系统block7block1block5block358通写通写模式下，所有数据在以命令完成状态返回到计算机之前，直接写到硬盘。系统block7block1block5block31

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IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用通写通写模式下，所有数据在以命令完成状态返回到计算机之前，直59磁盘Cache性能分析容量增加CACHE大小对于预读来说，为系统提供了更多的来自CACHE的可供读取的记录。对于回写来说，允许控制卡保存更多的记录留待后期写磁盘。特别是对于电梯式回写，使得连续的回写段之间有更近的间隔，降低硬盘写操作的平均访时间并提高了吞吐率。1、当用户数很多而且不是都访问相同的数据。2、当数据文件很大时。

大容量cacheIDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用磁盘Cache性能分析容量1、当用户数很多而且不是都访问相同60磁盘CACHE的类型EDO：工作频率在33MHz，RAID处理器频率低于100MHz时SDRAM:工作频率在66MHz，RAID处理器频率高于100MHz时

---提高系统I/O的速度ECC：对CACHE数据进行校验Non-ECC：不对CACHE数据进行校验

---提高系统I/O的可靠性

Mylex的RAID卡需要ECC的；Adaptec的RAID卡没限定磁盘Cache性能分析IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用磁盘CACHE的类型EDO：工作频率在33MHz，RAID处61带RAID卡SCSI系统硬件框图HOSTRAID处理器FirmwareCacheMemorySCSI主控制器ID=7SCSIID=0SCSIID=5终结器终结器SCSI总线背板HSCID=6IDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用带RAID卡SCSI系统硬件框图HOSTRAID处理62RAID处理器是一个PCI从设备，接受并执行来自系统的命令。同时占用PCI中断，代表SCSI磁盘子系统向系统。提出中断请求，请求占用PCI总线，返回对系统。命令的响应，如输送SCSI硬盘上的数据。作为RAID卡的CPU，通过执行闪存中的Firmware，控制SCSI控制器、CacheMemory以及指示报警电路，来实现RAID卡的功能，运作流程如流程图所示。RAID处理器是一个PCI从设备，接受并执行来自系统的命令63初始化RAID卡寄存器发送配置提示、响应HOST命令进入配置界面提供配置菜单、将用户提供的RAID卡参数、RAID参数存入NVRAM根据RAID参数，通过SCSI控制器对硬盘进行初始化写操作完成配置读取NVRAM内的上次RAID参数，与硬盘实际信息进行比较，显示结果等待Host发出读写操作命令处理器运作流程简图RAIDIDERAID与SCSIRAID技术及应用RAID技术及应用初始化RAID卡寄存器发送配置提示、响应HOST命令进入64SCSIRAID卡产品介绍Adaptec2100S单通道Ultra160SCSIRAIDi960RS/32-Bit/33MHz3200S双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN/64-Bit/33MHz3210S双通道Ultra160SCSIRAIDIOP303/64-Bit/66MHz3410S四通道SCSIRAIDIOP303/64-Bit/66MHzRAID0,1,0/1,5,0/5支持Windows2000，WindowsNT,NetWare，SCOUNIX以及

Linux等多种操作系统常用RAID卡产品介绍RAID技术及应用SCSIRAID卡产品介绍Adaptec常用RAID卡产65Mylex(IBM)AcceleRAID160单通道Ultra160SCSIRAIDi960RS/32-Bit/33MHzAcceleRAID170单通道Ultra160SCSIRAIDi960RM/32-Bit/33MHzAcceleRAID352双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN/64-Bit/33MHzRAID0,1,0+1,3,5,10,30,50,JBOD支持Windows2000，WindowsNT,NetWare，Solaris，SCOUNIX等多种操作系统SCSIRAID卡产品介绍常用RAID卡产品介绍RAID技术及应用Mylex(IBM)SCSIRAID卡产品介绍常用RAI66SCSIRAID卡产品介绍AMI(LSI)Express300(Series490)单通道U2WSCSIRAIDi960RM/32-Bit/33MHzExpress500(Series475)单通道Ultra160SCSIRAIDi960RM/32-Bit/33MHzElite1600(Series493)双通道Ultra160SCSIRAIDi960RN/64-Bit/66MHzRAID0,1,3,5,10,30,50支持Windows2000，WindowsNT,NetWare，Solaris，SCOUNIX以及

Linux等多种操作系统常用RAID卡产品介绍RAID技术及应用SCSIRAID卡产品介绍AMI(LSI)常用RAID卡67IDERAID卡产品介绍PromiseFastTrak66双通道ATA/66RAID支持四颗硬盘RAID0,1,0+1,JBODFaseTrak100双通道ATA/100RAID支持四颗硬盘RAID0,1,0+1,JBOD支持Windows2000，WindowsNT，NetWare以及

Linux等多种操作系统常用RAID卡产品介绍RAID技术及应用IDERAID卡产品介绍Promise常用RAID卡产品介68主流RAID卡品牌及控制器LSILSI公司最早名为LSILogic，后更名为